ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА р - n-ПЕРЕХОДА

Зависимость между током I и напряжением V, заданная аналитически или представленная графически, называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) р— n-перехода. Для получения статической вольт-амперной характеристики р— п-перехода нужно, зная приложенное напряжение, найти стационарное распределение дырок в п- и электронов в р-областях, определить их градиенты на границах перехода и рассчитать дырочную и электронную компоненты токов.

Количественный анализ упрощается при следующих допущениях:

а) ширина перехода мала, и процессами генерации и рекомбинации носителей в области перехода можно пренебречь, что позволяет считать электронные и дырочные инжекционные токи на границах перехода неизменными;

б) сопротивление перехода значительно больше сопротивления р- и n-областей, и все внешнее напряжение приложено непосредственно к р— n-переходу;

в) концентрация неосновных носителей, инжектированных в каждую область, много меньше концентрации основных носителей в этих областях, что позволяет не учитывать дрейфовые составляющие тока в р- и n-областях. Таким образом, вне р— n-перехода неосновные носители движутся только за счет диффузии, и, следовательно, изменение их концентрации описывается уравнением диффузии. Так, концентрация дырок р в n-области описывается уравнением

(2.6)

Где L_p = - диффузионная длина, D_p = - коэффициент диффузии, μ_p — подвижность дырок, t_р — время жизни дырок в n-области при граничных условиях:

а) избыточные дырки полностью рекомбинируют на большом по сравнению с диффузионной длиной расстоянии от р— n-перехода:

(p – p_n)_|x→∞ → 0 (2.7)

б) концентрация избыточных дырок на границе р— n-перехода подчиняется соотношению Больцмана:

p(x→ - l_n) = p_nexp(qV/kT). (2.8)

Решая уравнение (1.1.4) с граничными условиями (2.7) и (2.8) получим:

p = p_n[exp(qV/kT) -1]exp(-x/L_p). (2.9)

Диффузионный ток дырок через переход равен

I_p = (1.10)

где S — площадь перехода.

Аналогичным способом можно получить выражение для диффузионного тока электронов:

I_n = (2.11)

Полный ток через переход и, следовательно, через весь прибор равен сумме токов дырок и электронов:

I = I_p + I_n = (2.12)

где I_s = I_ps + I_ns = qS - ток насыщения, I_ps = qS - электронная, а I_ns = qS - дырочная составляющие токов насыщения.

При больших значениях обратного напряжения (2.12), ток через переход постоянен и равен I_s, при прямых напряжениях V>>kT/q ток экспоненциально возрастает (рис. 2.4). Токи насыщения обычно очень малы и составляют 10^-6 – 10^{-5 A} для германиевых и 10^-8 – 10^{-7 A} для кремниевых переходов с площадью в несколько квадратных миллиметров.

Рис. 2.4. Статическая вольт-амперная характеристика р— n-перехода. Обратные характеристики описывают следующие режимы пробоя: а — туннельный, б — лавинный; в — тепловой

При высоких обратных напряжениях может наступить пробой р—n -перехода. В этом случае ток резко возрастает за счет ударной ионизации (а), туннельного эффекта (б) или повышения температуры (в), и выражение (1.12) становится неприменимым (рис. 2.4).

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n-переходом и двумя выводами.

В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, детекторные, модуляторные, переключающие, умножительные, стабилитроны (опорные), туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды, диоды Ганна и т. д. Идеализированная вольт-амперная характеристика диода описывается выражением (2.12).

В реальных диодах прямая и обратная ветви ВАХ отличаются от идеализированной. Это обусловлено тем, что тепловой ток I_s при обратном включении составляет лишь часть обратного тока диода. При прямом включении существенное влияние на ход вольт-амперной характеристики оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2—10 мА.

При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную вольт-амперную характеристику, сложно и нецелесообразно. Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. Так как значения обратного тока у диодов изменяются в широких пределах (от экземпляра к экземпляру), в паспортных данных на каждый вид диода указывается его максимально допустимое значение.

Обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых и им часто пренебрегают.

Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода отклоняется от идеализированной из-за наличия токов рекомбинации в p-n-переходе, падения напряжения на базе диода, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей заряда и наличия в базе внутреннего поля, возникающего при большом коэффициенте инжекции.

Рис. 2.5. Вольт-амперные характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов; условное обозначение (в)

Для малых токов падение напряжения на переходе U

U= kTq^-1ln(I/I_T+1).

Падение напряжения на диоде U зависит от тока I, протекающего через него, и имеет большее значение у диодов с малым I_T. Так как у кремниевых диодов тепловой ток I_T мал, то и начальный участок прямой ветви характеристики значительно более пологий, чем у германиевых (рис. 2.5).

Выпрямительные диоды. Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров которых обычно не предъявляют специальных требований, называют выпрямительными.

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i-переходы, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n -переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой. Для этой же цели иногда используют p⁺-p-n или n⁺-n-p-переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают структуры р⁺-р-п или п⁺-п-р- типа. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требования, состоящие в том, что, во-первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряжения пробоя и малой емкости p-n-перехода необходимо применять полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n -переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

Германиевые выпрямительные диоды могут быть использованы при температурах, не превышающих 70—80 °С, кремниевые—до 120—150 °С, арсенид-галлиевые—до 150 °С.